DE2735499C2

DE2735499C2 - System zur automatischen Positionierung eines Wasserfahrzeugs

Info

Publication number: DE2735499C2
Application number: DE2735499A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Hoppe
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-08-06
Filing date: 1977-08-06
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE2735499A1

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem System entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Positionierungsverfahren werden angewendet für Bigger, Bohr' und Meßplattformen, Rohrleger u. ä. So wird das Verlegen einer Rohrleitung im Wasser mittels eines Rohrlegers vorgenommen. Der auf dem Rohrleger zusammengeschweißte Rohrstrang wird auf vorgegebener Trasse auf dem Meeresboden verlegt Die Rohrleitung wird über eine Ablauframpe ins Wasser abgelassen. Dabei wird von einem Tensioner die abzulassende Rohrleitung derart gehalten, daß vorgegebene Biegespannungen und Krümmungen des Rohrstranges nicht überschritten werden.

Die Antriebs- und Haltekräfte werden von Winden über Seile und Anker erzeugt, wobei die Ankerseüe ca. bis 4000 Meter ausgesteekt werden können.

Die Rohrsektionen werden in einer Sehweißstraße in mehreren Arbeitsgingen an den Rohrstrang angeschweißt Nach abgeschlossenem Schweißvorgang wird der Rohrleger um die Sektionslänge mittels der Ankerwinden in Vorwärtsrichtung weiterbewegt Nach Ablassen der Rohrsektion wird der Rohrleger mittels der Winden auf Null abgebremst

Damit nun das Verlegen des Robrstranges auf vorgegebener Trasse und das Einhalten vot^egebener Biegespannungen und Krümmungen des Rohrstranges nicht durch Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Wind, Strömungsrichtung und Wellenhub bei Seegang, beeinträchtigt wird, muß der Rohrleger auf vorgegebener Position gehalten werden.

is Der Rohrleger »Viking Piper« ist der erste Rohrleger seiner Größe, der mit einer automatischen Positionier-Einrichtung ausgerüstet worden ist In der Arbeit von M. Klittich und K. Wüke in den »Wissenschaftlichen Berichten«, AEG-TELEFUNKEN 49 (1976) 1/2, S.

50 ff. ist dieser Rohrleger ausführlich beschrieben.

Damit die Aufgabe, den Rohrleger auf vorgegebener Position zu halten, gelöst werden kann, müssen einer solchen Positionier-Einrichtung etwa folgende Meßwerte eingegeben werden:

die Wegstrecke in Vorausrichtung,

die seitliche Abdrift vom vorgegebenen Verlauf der Trasse,

die Richtung der Rohrleger-Längsachse gegen Norden,

die Geschwindigkeit, mit welcher der Rohrleger in Arbeitsrichtung fortbewegt wird,

die Geschwindigkeit der seitlichen Abdrift,

die Drehgeschwindigkeit des Rohrlegers,
die Richtung der ausgesteckten Ankerseile,

der Füllungsstand der Windentrommeln,

die auf die Ankerseile ausgeübten Zugkräfte.

Auf dem Rohrleger »Viking Piper« sind für die Positionierung vierzehn Ankerwinden vorgesehen, die bug- und heckseitig eingebaut sind. Zur Erfassung der Richtungen der Seite gegen die Fahrzeug-Längsachse dienen Winkelmeßsysteme, die den augenblicklichen Wert der Ankerseüwinkel erfassen und der Positionier-Einrichtung zuführen. Die Geschwindigkeiten des Rohrlegers in Längs- und Querrichtung wurde mit einem Doppler-Sonar-System erfaßt. Dabei ist die Frequenzdifferenz zwischen dem gesendeten und dem nach Reflexion am Boden wieder empfangenen Schallsignal ein Maß für die Geschwindigkeit des Rohrlegers.

Aus der Positionsablage und den Geschwindigkeiten des Rohrlegers in Längs-, Quer- und Drehrichtung werden korrigierende Sollkräf'.e berechnet, die nach einem komplizierten Optimierungsverfahren in Seilkräfte für die einzelnen Ankerseüe umgerechnet werden. Eine unterlagerte Kraftregelung sogt je Winde dafür, daß die auf dem Seil vorhandene Kraft mit der vorgegebenen Sollkraft übereinstimmt. Zu diesem Zweck wird die Istkraft je Seil erfaßt.

Bei dein geschilderten Verfahren' haben sieh nun verschiedene Nachteile gezeigt Beispielsweise spielen beim Erfassen der Rohrlegergeschwindigkeit in Arbeitsrichtung Wettereinflüsse eine entscheidende Rolle.

Derartige Wettereinflüsse können zwischenzeitlich das Meßsignal wiederholt unbrauchbar machen. ■

Desgleichen machen sich Umwelteinflüsse bei der Seilkrafteirfassung nachteilig bemerkbar, wie beispiels-

weise die Beschaffenheit des Meeresboden, So ist es vorgekommen, daß die Anker trotz ihres sehr hohen Gewichtes die Sollkraft nicht halten konnten, so da3 die automatische Positionierungs-Einrichtung aufgrund eines verfälschten Meßwert-Einganges die zugeordnete Winde veranlaßt hat, das betreffende Seil eine gewisse Zeit mit hoher Geschwindigkeit einzuholen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein System zu schaffen, mit dem diese Mängel beseitigt werden und in einfachster Weise eine ι ο optimale Positionierung des Rohrlegers erzielt wird. Dabei sollen Rechenaufwand und Rechenzeit wesentlich vermindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anweisung des Hauptanspruchs gelöst. Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, daß der Rohrleger nach einer gewissen Einschwingzeit sich aus dem Stillstand heraus mit genau der Geschwindigkeit fortbewegen muß, mit der Seil ausgesteckt oder eingeholt wird.

Die automatische Positionierungs-Einrichtung arbeitet somit nicht mit Sollkräften der Seile, sondern mit Sollgeschwindigkeiten. Die sich einstellenden Seilkräfte werden zunächst nicht berücksichtigt.

Die Sollgeschwindigkeit des Rohrlegers wird weiterhin von der Positionierungs-Einrichtung in Solige- schwindigkeiten der einzelnen Seile beim Ausstecken oder Einholen umgerechnet und nach einem weiteren Rechenschritt, in dem die Wickeldicke der Seiltrommel berücksichtigt wird, werden die errechneten Werte der Windensteuerung als Solldrehgeschwindigkeiten für die Windenmotoren vorgegeben. '

Der Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß durch die Steuergleichungen der Rechenaufwand erheblich verringert wird, so daß der in der Positionierungs-Einrichtung enthaltene Prozeßrechner die Rechenergebnisse in kürzester Zeit als Signalwert an den Drehzahlregelkreis ausgeben kann.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Verwendung von Drehgeschwindigkeiten als Sollwerte in der Betriebsart »Halbautomatik« auf die störanfällige Geschwindigkeitserfassung mittels Doppler-Sonar verzichtet werden kann.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Beispiels soll das Verfahren nach der Erfindung näher erläutert werden.

Die Ableitung der Steuergleich^ngen erfolgt in einem rechtsdrehenden Koordinatensystem. Dabei wird dzr Koordinatensprung in den Plattform-Mittelpunkt gelegt Das Koordinatensystem ist fest mit der Plattform verbunden.

Für jede der Ankerwinden werden die Steuergleichungen für die Ankersfilgeschwindigkeit abgeleitet. In diesem Fall sind die Gleichungen für die Winde 1 abgeleitet, die im Punkt /'aufgestellt ist

Nach der Figur ist χ in Vorausrichtung positiv, /nach rechts positiv. Eine Drehung im Uhrzeigersinn wird als positiv angesetzt

Die im folgenden verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung:

60

1 Winde 1

yi Auslaufrichtung des der Winde 1 zugeord

neten Seiles

x\/y\ Koordinaten des Krafteingriffpunktes P

des Seiles

7ji Richtung der Geschwindigkeit des Kralt-

eingriffpi'nktes P, allein hervorgerufen durch die positive Rohrlegerdrehung

«1 Abstand des Punktes P vom Koordinaven-

Nullpunkt

■ψ Richtung der *-Achse gegen Norden (Kurs)

χ Vorausgeschwindigkeit des Rohrlegers

y Geschwindigkeit des Rohrlegers nach

rechts

ψ Drehgeschwindigkeit des RohrIegers(Kurs~

änderung)

ωι Drehzahl der Winde 1 (für positive Werte

wird Seil eingeholt)

v\ Geschwindigkeit des Punktes P bei allge

meiner Rohrlegerbewegung

XsoHYsoH

Tpsoii Steuergeschwindigkeiten für den Rohrle

ger (Stellgrößen)

Vi son Sollgeschwindigkeit des Ankerseiles der

Winde 1

R, Halbe Wickeldicke der Seiltrommel der

Windel

ωι soil Solldrehzahl für die Seiltrommel der Winds

Fi max Seilkraft-Maximaiwert, darf nicht über

schritten werden Winde 1

Fi min Seilkraft-Minimalwert, darf nicht unter

schritten werden Winde 1

Für die Geschwindigkeit vi des Kraftangriffpunktes P in Seilrichtung läßt sich die Gleichung hinschreiben, wenn sich der Rohrleger mit der Ist-Geschwindigkeit x, y, ψ bewegt:

v, =xcos Y₁ + ysin y, + φ d, cos (i_n -V₁) (1)

Diese Gleichung gilt analog für die Geschwindigkeit des Kraftangriffpunktes eines jeden Seiles.

Besteht nun zwischen allen Seilgeschwindigkeiten und der Rohrlegergeschwindigkeit die Beziehung nach Gleichung (1), und sind alle Störkräfte über die Seilkräfte kompensiert, befindet sich der Rolwrleger im unbeschleunigten Zustand.

Die vorstehend beschriebene Beziehung wird von der Erfindung dahingehend genutzt daß aus der Positionsablage die Steuergeschwindigkeiten X₁₀/* Ysoii und φ_5Ο/; für den Rohrleger berechnet werden, und die Seile entsprechend diesen Steuergeschwindigkeiten eingeholt oder ausgesteckt werden.

Vi son = x_Kii cos y, + y„„ sin y, + tp_mll d, cos (r„ - y,)

Dabei befindet sich der Rohrleger im unbeschleunigten Zustand, wenn die Steuergeschwindigkeiten gleich den Istgeschwindigkeiten sind (Gleichung 1):

Xsoll ⁼ X ; An« = Λ Ψ soll " Ψ

Eine Rolle spielen für den ordnungsgemäßen Funktionsablauf der Rohrlegerbewegung die Aussteckrichtungen der Ankerseile. Das bedeutet, daß für eine Mindestanzahl der an der Vorausbewegung des Rohrlegers beteiligten Winden ein oder mehrere Terme aus der Gleichung (2) nicht verschwindi.fi dürfen. Beispielsweise könnte eine Rohflegerdrehung nicht eingeleitet werden, wenn der Cosinus des Winkels (τ/ι -γι) für alle Winden mit Null identisch wäre.

Da an die Windensteuerung nur Trommeldrehgeschwindigkeiten ausgegeben werden können, müssen die Sollwerte für die Seilgeschwindigkeiten in Solldreh-

Geschwindigkeiten für die Windentrommeln umgerechnet werden:

, cos y, +>„„ sin y, + φ_χ1ι d, cos (ι,ι - y,)

(3)

Wenn exakt nach Gleichung (3) verfahren werden könnte, würde sich nach jeder Bewegungsphase des Rohrlegers die zu Beginn der Bewegungsphase vorhandene Seilkraft wieder einstellen, da die eingeholten bzw. ausgesteckten Seillängen genau dem Weg des Rohrlegers in Arbeitsrichtung entsprächen.

Eine solch exakte Einstellung der Trommeldrehgeschwindigkeiten ist jedoch praktisch nicht möglich. So ergeben sich beispielsweise Fehler bei der Erfassung der halben Wickeldicke (R\) der Windentrommeln, desgleichen ist die Auslaufrichtung (yi) des Seiles in bezug auf

A'\» I iSnacooKco nur imopnati prfaRhar I InapnailicrlcpitPn

können sich auch bei der Drehzahlregelung ergeben oder auch, weil die Anker auf dem Meeresboden nachgerutscht sind oder weil für das eine oder andere Ankerseil die Zugkraftgrenze erreicht ist Daher werden sich während mehrerer Bewegungsphasen des Rohrlegers die Seilkräfte ändern.

Da jedoch hohe Seilkräfte eine genauere Einhaltung der vorgegebenen Rohrlegerposition gewährleisten, ist es wünschenswert, ein hohes Kraftniveau einzuhalten. Daher werden alle Trommelsolldrehgeschwindigkeiten gleich oder größer Null mit dem Faktor Eins bewertet, alle Trommelsolldrehgeschwindigkeiten kleiner Null hingegen mit einem Faktor kleiner Eins, wobei dieser Faktor zwischen Null und Eins wählbar ist. Das bedeutet, daß grundsätzlich langsamer ausgesteckt als eingeholt wird.

Sollte diese Maßnahme noch nicht ausreichen, um die Seile zur Erzielung eines hohen Seilzuges zu straffen, kann eine weitere Regelung in Eingriff kommen, derart, daß bei Vorzeichenabweichung der Trommelsolldrehgeschwindigkeiten bzw. der Seilsollgeschwindigkeiten vom Vorzeichen der Rohrlegeristgeschwindigkeitn in Seilrichtung an die entsprechenden Windentrommeln ein Stop-Signal ausgegeben wird, so daß kein Seil mehr ausgesteckt wird

Außerdem muß gewährleistet sein, daß die jeweiligen Solldrehgeschwindigkeiten der Windentrommeln einen vorgegebenen Maximalwert — nämlich die Nenndrehzahlen — nicht überschreiten können. Es könnte zum Beispiel daran gedacht werden, die Stellgrößen X₁₀A JW φ«,/? auf derart niedrige Werte zu begrenzen, daß der Quotient nach Gleichung (3) stets unter dem maximal zulässigen Wert bleibt Dadurch würde aber die maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit des Rohrlegers in Vorausrichtung erheblich eingeschränkt und folglich auch die Arbeitsgeschwindigkeit.

Als optimale Lösung bietet sich an, die Stellgröße x,„n derart zu begrenzen, daß bei einem Seilauslaufwinkel ■j y-Null (Vorausrichtung)) einer Drehgeschwindigkeit IJw=NuII und einem mittleren Trommelradius die vorgegebenen Nenndrehzahlen nicht überschritten werden. Die Stellgrößen ψ»// und y_Kn sind stärker begrenzt, da sich bezüglich seitlicher Abweichung und

ίο Drehrichtung keine derartigen Geschwindigkeiten wie in Vorausrichtung ergeben, so daß die Stellgrößen entsprechend niedriger sein können.

Die Trommelsolldrehgeschwindigkeiten werden auf den Nennwert normiert Sollte nun eine der normierten

Γι Solldrehgeschwindigkeiten >1 berechnet worden sein, werden alle Solldrehgeschwindigkeiten derart mit einem Faktor multipliziert, daß der höchste ausgegebene Sollwert gleich 1 wird. Das Verhältnis der aiiccTpophpnpn SnllHrph79h|pn »iipinanHpr wirri flurrh

~>o die Multiplikation nicht verändert

Wie bereits erwähnt wurde, werden zwar die sich einstellenden Seilkräfte rechnerisch nicht berücksichtigt, jedoch muß eine Seilkraftbegrenzung F_m,_x erfolgen. Ebenso kann durch die Rohrlegerbewegung von

>'i Bewegungsphase zu Bewegungsphase erhebliches an Seilkraft verlorengehen. Es wird zwar durch die vorgenannte Maßnahme gewährleistet daß eine Anzahl der /^kerseile auf einem hohen Zugniveau gehalten wird, jedoch ist bei diesem Verfahren über die einzelnen

jo Seilkräfte nichts ausgesagt Beispielsweise können innerhalb der Bewegungsphase·* des Rohrlegers Ankerseile immer mehr an Zugkraft verlieren, ohne daß ein Eingriff erfolgt, solange die Summe der Seilzugkräfte ausreichend ist

ü Daher werden den einzelnen Antrieben ein maximaler und ein minimaler Zugkraftgrenzwert vorgegeben, wobei die Zugkräfte Mdgraa ma/mm unter Berücksichtigung der Trommelradien eingegeben werden. Alsdann werden die Zugkraftgrenzen berechnet und an die

Drehzahlregler der Winden ausgegeben:

Somit erhalten die Drehzahlregler wegen der v) Zugkraftbegrenzungen eine von der automatischen Positionier-Einrichtung steuerbare obere uiu* untere Grenze ihres Ausganges.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. System zur automatischen Positionierung eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Rohrlegers, mittels ausgelegter Anker, die Ober Ankerseüe mit am Wasserfahrzeug angebrachten Ankerwinden verbunden sind, mit einer automatischen Positionier-Enrichtung zum Aufrechterhalten der Sollposition des Wasserfahrzeugs und mit regelbaren Ankerwinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente der Rohrlegersollgeschwindigkeit in Seilrichtung, die aus der Positionsablage errechnet wird, als Sollgeschwindigkeit für die Veränderung der ausgesteckten Seillänge dient

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollgeschwindigkeiten der Ankerseüe durch die Solldrehzahlen der Ankerwinden vorgegeben werden (Gleichung 3).

3. Sysicm nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommelsolldrehgeschwindigkeit aus der Komponente der Rohrlegersollgeschwindigkeit in Seilrichtung gebildet wird, in dem die Trommelsolldrehgeschwindigkeit mit einem Faktor kleiner Eins bewertet wird und dieser Faktor zwischen Null und Eins wählbar ist

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß bei unterschiedlichem Vorzeichen der Trommelsolldrehgeschwindigkeiten und der Rohrlegeristgeschwindigkeit in Seilrichtung ein Stop-Signal an die Windentrommel ausgegeben wird.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung de/ Windendrehgeschwindigkeiten auf zulässige Werte durch Multiplikation aller Solldrehgeschwindigkei :n mit einem Reduktionsfaktor erfolgt, wobei dieser Faktor so gewählt wird, daß die Winde mit dem höchsten Drehgeschwindigkeitssollwert gerade den zulässigen Wert erreicht

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelung für die Windendrehgeschwindigkeiten wegen der einzuhaltenden Seilkraftgrenzen ein Drehmomentregelkreis über- oder unterlagert ist, derart, daß vorgegebene Maximal- und Minimalwerte der Seilzüge nicht über- und unterschritten werden.